Photoredox catalysis for environmental and chemical applications. A mechanistically-based approach

Abstract

En las últimas décadas, los procesos redox fotoinducidos mediados por luz visible han recibido gran atención debido a las suaves condiciones de operación en que se llevan a cabo. Como resultado, se han logrado posicionar como una alternativa más dentro de los Procesos de Oxidación Avanzada. Además, se han convertido en una metodología excepcional en síntesis orgánica, que ha abierto la puerta a nuevas rutas químicas con aplicaciones sintéticas. Sin embargo, a pesar del crecimiento del campo, se ha prestado poca atención a los mecanismos por los que operan estos procesos. El principal objetivo de esta tesis fue avanzar en la comprensión de distintos procesos fotoredox llevados a cabo empleando fotocatalizadores orgánicos. Más específicamente, se estudió la viabilidad de distintos fotocatalizadores orgánicos, y además, se realizó un estudio mecanístico detallado basado en técnicas resueltas en el tiempo. A partir de estos resultados, se estableció una metodología para determinar los puntos clave a considerar en un sistema fotoredox. En primer lugar, en la Parte I, se eligieron dos fotocatalizadores basados en sales de pirilio y tiapirilio, que operan mediante transferencia electrónica oxidativa, con distintos objetivos. En el Capítulo 3, se evaluó su aplicabilidad en la fotodegradación de dos contaminantes de la industria del corcho y se estudió el mecanismo por el que se produce dicha fotodegradación. En el Capítulo 4, se demostró la utilidad de la detección directa de todos los intermedios de vida corta derivados del TPP+ implicados en la oxidación fotocatalizada como herramienta para evaluar el nivel de fotodegradación. En el Capítulo 5, se empleó TPTP+ para establecer las mejores características de un fotocatalizador y la influencia de la concentración de las sustancias a oxidar en la eficiencia de los estados excitados, o en general, de los intermedios clave de vida corta. En segundo lugar, en la Parte II, en el Capítulo 6, se evaluó el potencial del Rosa Bengala en la eliminación de dos fármacos. Éste es un fotocatalizador típico en la remediación de aguas residuales conocido por actuar via mecanismo Tipo II. Se incluyó además un segundo fotocatalizador, Perinaftenona, cuyo rendimiento cuántico de oxígeno singlete es incluso mayor a Rosa Bengala. En el Capítulo 7, se llevó a cabo la fotooxidación de tres contaminantes, usando NMQ+, un fotocatalizador inusual, capaz de generar oxígeno singlete desde su estado excitado singlete. En todos los casos se pudo demostrar la mayor contribución del mecanismo Tipo I sobre el mecanismo Tipo II en la fotodegradación de los diferentes contaminantes. Finalmente, en la Parte II, el Capítulo 8 se dedicó a la reducción fotocatalítica de bromuros orgánicos, empleando Riboflavina, un colorante orgánico no metálico, como fotocatalizador. De nuevo, se prestó especial atención a la detección y comportamiento de las especies intermedias, lo que resultó de acuerdo a los datos termodinámicos.

En les últimes dècades, els processos redox fotoinduïts mitjan per llum visible han rebut gran atenció degut a les suaus condicions d'operació en que es donen. Com a resultat, s'han aconseguit col·locar com una alternativa mes dins dels Processos d'Oxidació Avançada. A més, han estat convertint-se en una metodologia excepcional en síntesi orgànica, que ha obert la porta a noves rutes químiques amb aplicacions sintètiques. No obstant això, a pesar del creixement del camp, s'ha prestat poca atenció als mecanismes pels que operen aquests processos. El principal objectiu d'esta tesi va ser avançar en la comprensió de diferents processos fotoredox duts a terme emprant fotocatalitzadors orgànics. Més específicament, es va estudiar la viabilitat de distints fotocatalitzadors orgànics, i a més, es va realitzar un estudi mecanístic al detall basat en tècniques resoltes en el temps. Amb aquests resultats, es va establir una metodologia per a determinar els punts clau a considerar en un sistema fotoredox. En primer lloc, en la Part I, es van elegir dos fotocatalitzadors basats en sals de pirili i tiapirili, els quals operen per mitjà de transferència electrònica oxidativa, amb distints objectius. En el Capítol 3, es va avaluar la seua aplicabilitat en la fotodegradació de dos contaminants de la indústria del suro i es va estudiar el mecanisme pel qual es produeix dita fotodegradació. En el Capítol 4, es va demostrar la utilitat de la detecció directa de tots els intermedis de curt temps de vida derivats del TPP+ implicats en l'oxidació fotocatalitzada com a ferramenta per avaluar el nivell de fotodegradació. En el Capítol 5, es va emprar TPTP+ per a establir les millors característiques d'un fotocatalitzador i l'influencia de la concentració de les substàncies a oxidar en la eficiència dels estats oxidats, o en general, del intermedis claus de vida curta. En segon lloc, en la Part II, en el Capítol 6, es va avaluar el potencial del Rosa Bengala en l'eliminació de dos fàrmacs. Aquest es un fotocatalitzador típic en la remediació d'aigües residuals conegut per actuar via mecanisme Tipus II. Es va incloure a més un segon fotocatalitzador, Perinaftenona, el del qual rendiment quàntic d'oxigen singlet és inclús major a Rosa Bengala. En el Capítol 7, es va dur a terme la fotooxidació de tres contaminants, usant NMQ+, un fotocatalitzador inusual, capaç de generar oxigen singlet des del seu estat excitat singlet. En tots els casos es va poder demostrar la major contribució del mecanisme Tipus I sobre el mecanisme Tipo II en la fotodegradació dels diferents contaminants. Finalment, en la Part II, el Capítol 8 es va dedicar a la reducció fotocatalítica de bromurs orgànics, emprant Riboflavina, un colorant orgànic no metàl·lic, com fotocatalitzador. De nou, es va prestar especial atenció a la detecció i comportament de les espècies intermèdies, el que va resultar d'acord amb les dades termodinàmiques.

In the last decades, photoinduced-redox processes mediated through visible light have obtained great attention due to the generally mild operating conditions that they offer. As a result, they constitute a further alternative within the so-called Advanced Oxidation processes. Besides, they are becoming an outstanding methodology in organic synthesis, which has opened the door to new synthetic and chemical routes. However, despite the growth of the field, little attention has been paid to the mechanisms pathways behind these processes. The main objective of this thesis was to gain deeper understanding of different photoredox processes carried out using organic photocatalysts. More specifically, the viability of several organic photocatalysts was studied, and besides, a careful mechanistic study based on time resolved techniques supported the postulated mechanisms. With this information, a methodology determining the key points to consider in a photoredox system were stablished. Firstly, in Part I, two photocatalysts based on pyrilium and thiapyrilium salts, which operate through an oxidative electron transfer, have been used with different objectives. In Chapter 3, the viability of the photodegradation of two common pollutants from cork industry and the mechanism behind it has been evaluated. In Chapter 4, the direct detection of all the TPP+ derived short-lived intermediates in the photocatalyzed oxidation of a mixture of pollutants using TPP+ was proposed as a methodology to assess the photodegradation extent. In the last chapter of Part I, Chapter 5, TPTP+ is used to stablish the best characteristics of a photocatalyst. Besides, the study claimed the influence of the concentration of the target substances in the efficiency of the excited states or, in general, of the key short-lived intermediates. Secondly, in Part II, in Chapter 6, Rose Bengal, a typical photocatalyst used in wastewater remediation, known for working via Type II mechanism, was evaluated for the removal of two common drugs. In addition, a second one, Perinaphtenone, which exhibits even a higher singlet oxygen quantum yield than Rose Bengal was tested. In Chapter 7, NMQ+, a non-typical photocatalyst able of generate singlet oxygen from its singlet excited state, was used in the photooxidation of three different pollutants. In every case, the major contribution of Type I vs Type II mechanism was demonstrated. Finally, in Part III, Chapter 8 was devoted to the photocatalytic reduction of organic bromides. In this case, Riboflavine, a non-metallic organic dye, was used as a photocatalyst. Analogously, careful attention was paid to the behavoiur of the intermediates, which were in agreement, as well as to the thermodynamics of the steps involved in the photocatalytic cycle.